CN101106413A - 一种用于tdd移频直放站的高稳定本地参考信号产生方法和装置 - Google Patents
一种用于tdd移频直放站的高稳定本地参考信号产生方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生方法和装置,方法包括步骤:利用GPS同步后产生的时钟校准脉冲,对本地参考信号进行数字鉴频,鉴频输出的频率估计采样被数字均值滤波以产生频率估计参数;该误差校正控制参数与当前环境温度检测量相结合后,被变换至模拟信号输出;此模拟信号经过模拟低通滤波后用于控制电压调整晶体振荡器的工作频率,从而最终实现本地参考信号频率的闭环控制调整。装置包括:电压调整晶体振荡器,数字鉴频器,温度传感器,非易失温度参数存储表,数字均值滤波和控制器,数字量至模拟信号转换器,模拟低通滤波器,本地参考信号分频器,本地参考信号输出驱动器,收发控制时序计数装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种高稳定度本地参考时钟的产生方法和装置,特别是一种用于TDD(Time-Duplex Division)移频直放站领域,将GPS星上校准脉冲与数模混合信号处理技术相结合,以产生出高精度、高长期稳定度和低相噪本地参考信号(Local Oscillator)的方法和装置。
背景技术
TDD移动通信***不需要成对的频率规划,即可以提供高频谱利用率和服务灵活性,目前国内有规模应用的主要包含下面三种制式:PHS、SCDMA和TD-SCDMA。考虑TDD模式时分工作的特点,整个移动通信网络必须保证严格的定时同步,以减少内部干扰;上述三种***均采用GPS等方式对全网的设备统一定时。
在上述三种体制的移动网络基站信号受到阻挡区域,运营商一般采用各种形式的网络优化设备进行补充覆盖。对于需要采用下变频和上变频方式进行信号中继的网络优化设备,必须采用高稳准度(优于0.1ppm)、低相噪的本地参考源供射频子***使用。目前常用的方案是采用昂贵的OCXO器件,以提供高稳准度的纯净的正弦波信号。
TDD工作模式也向网络优化设备的射频子***控制提出新的要求,网络优化设备的收发双向放大器部件必须满足严格的时序关系,才能避免出现设备的自激、降级和损坏。采用GPS作为参考基准,能够可靠产生射频子***收、发控制时序信号,并且方便各个控制时序之间的定时和相位配置。
GPS同步后输出的星上校准脉冲,一般频率较低,周期为1秒或数百毫秒,并且此校准脉冲中仍然包含了由于同步误差而引入的随机抖动。传统的产生本地参考源的方法是利用锁相环(PLL),但是对于几赫兹至几十赫兹的信号进行倍频而产生控制时序信号以及常见的12.8MHz本地参考源信号是难以实现的。某些型号GPS输出更高频率的校准脉冲包含各类常见的数字噪声和串扰,也难以作为其他任何形式的模拟参考源信号使用。
商用的廉价的晶体振荡器有非常好的相噪,但是频率精度一般为10~100ppm范围。非常容易获得的TCXO器件在非常狭窄的温度范围内能够达到1ppm级别,但是对于室外型设备的-40℃~+60℃工作范围以及3~5年的产品生命运行周期条件,仍然不能满足上述TDD移频直放站应用要求。能够在3年以上的产品生命运行周期中满足稳准度要求的OCXO器件可选范围仍然是受限的。
发明概况
本发明目的是研制一种解决上述技术问题,综合TDD移频直放站的现有需求,提供一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生方法和装置。
本发明所采用的技术方法包含以下步骤:
(1)GPS校准脉冲和本地电压调整晶体振荡器的输出送入数字鉴频器,得到本地参考源信号的频率估计采样点。
(2)数字鉴频器输出的频率估计采样点被数字滤波后,得到对应的频率误差估计参量。
(3)数字控制装置根据上述估计参量确定对应控制输出的步长、偏移量和比例因子。
(4)该数字域控制输出被DAC接口转化为模拟控制信号,低通滤波后送至本地电压调整晶体振荡器的频率调整端。
(5)上述1~4过程重复进行,直至本地电压调整晶体振荡器的输出频率满足精度要求。
(6)当前控制环路收敛后的控制参量和当前环境温度被更新入本地非易失存储器钟开环控制参数表。
(7)当GPS失去同步条件下,数字控制器会利用本地非易失存储器的开环控制参数表内容内插后得到本地电压调整晶体振荡器频率调整控制信号。
(8)控制环路收敛后,本地电压调整晶体振荡器输出信号利用收发控制时序计数装置产生用于射频子***的收使能、发使能信号。
(9)控制环路收敛后,本地电压调整晶体振荡器的输出信号经过分频器和50欧姆驱动器后,送至射频子***作为本地参考源信号。
其中,外部GPS校准脉冲和本地电压调整晶体振荡器输出时钟同时送入数字鉴频器,鉴相输出经过数字滤波后转换为模拟控制参数,实现本地电压调整晶体振荡器的闭环频率调整。
控制环路收敛后,以本地电压调整晶体振荡器时钟为输入的控制计数器,输出高精度脉冲作为射频子***收、发控制时序信号,同时本地电压调整晶体振荡器时钟输出经过隔离、分频和驱动后,送至射频子***作为低相噪射频参考源信号。
一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生装置包括:电压调整晶体振荡器(简称VCXO)、数字鉴频器、温度传感器、非易失温度参数存储表、数字均值滤波和控制器、数字量至模拟信号转换器(简称DAC)、模拟低通滤波器(简称LPF)、本地参考信号分频器、本地参考信号输出驱动器和收发控制时序计数装置。
其中,电压调整晶体振荡器可以是任何支持电参数频率微调晶体振荡器类型,频率调整范围应该覆盖可能的晶体振荡器固有偏移。
数字鉴频器是用于取出本地电压调整晶体振荡器输出时钟与GPS校准脉冲之间的定时误差,并将此定时误差中转换为的随机频率漂移误差采样。
温度传感器可以是任何将温度参数转换为电压、电流或电阻参数的传感器类型,并且工作范围应该覆盖可能的电压调整晶体振荡器温度漂移范围。
非易失温度参数存储表可以是任何满足多次擦除和改写操作的存储器类型,并且其容量应该覆盖可能的本地电压调整晶体振荡器工作温度范围。
数字均值滤波和控制器可以是任何下述类型用于减少误差信号的自适应算法实现结构:最小均方(LMS)、递归最小均方(RLS)和卡尔曼滤波(Kalman)。
数字量至模拟信号转换器可以是任何形式将数字参数按照一定函数关系转换为模拟电压、电流和电阻参数的实现形式。
模拟低通滤波器在用于产生平滑的控制信号的同时,不应该对混合控制环路的时间常数产生显著影响。
本地参考信号分频器用于整数倍的降低输入参考信号频率,并且保持相位噪声不产生恶化。
本地参考信号输出驱动器用于满足常见的射频50欧姆阻抗匹配要求。
收发控制时序计数装置通过对本地电压调整晶体振荡器输出频率计数和比较,产生精确的、可配置和可重复的射频收发控制时序脉冲。
经由本发明的技术方案的实施,可实现低成本的提供低相噪、高稳定度的本地参考源信号,在GPS信号存在的工作期间,该本地参考源信号能够维持良好的3~5年的长期稳定度和精度,当GPS短期同步异常条件下,该本地参考源仍能够利用开环的方式维持短期的精度。
经由本发明的技术方案的实施,可实现低成本的混合闭环控制方法,集成的收、发控制时序信号产生方式,适合多种频率需求。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明的数字鉴频器的原理框图。
图3是本发明的数字鉴频器的实施例一。
图4是本发明的数字鉴频器的实施例二。
图5是本发明的数字滤波和控制装置工作流程图。
图6是TDD无线通信收发控制时序波形的具体实施例一。
图7是TDD无线通信收发控制时序波形的具体实施例二。
具体实施方式
如图1所示,外部GPS校准脉冲和电压调整晶体振荡器输出时钟同时送入如图2、图3、图4所示的数字鉴频器,以便得到电压调整晶体振荡器的粗频率误差估计量。GPS实现方案中存在的大气的扰动、卫星轨道的摄动和星历的准确程度等随机因素,导致GPS理想校准脉冲到达时间n×Tpps上叠加有随机的抖动tjitter n:
(1)
其中rjitter n为当前第n个PPS校准脉冲上叠加的抖动,表现为随机变量。电压调整晶体振荡器可以是任何支持电参数频率微调晶体振荡器类型,频率调整范围应该覆盖可能的晶体振荡器固有偏移。
数字鉴频器的目的是取出电压调整晶体振荡器输出时钟与GPS校准脉冲之间的定时误差,并将此定时误差中转换为电压调整晶体振荡器的随机频率漂移误差采样。此频率误差可以分离是基于对电压调整晶体振荡器频率偏差特性的如下考虑:
发的频率漂移以分钟为单位;
偏置参数引发的频率漂移以小时为单位;
发的频率漂移以天为单位;
图2给出理想的数字鉴频器模型,而图3和图4给出具体实现的两个实例。
利用图2中的延时器将当前校准脉冲tpps n延时Tpps为tpps n-1,分别送入E计数器和L计数器。E计数器又被成为超前计数器,L计数器又被成为滞后计数器。压控晶体振荡器输出的频率为flo n的正弦信号经过电平转换后作为E计数器和L计数器的时钟使用,从而决定了计数器和的最小分辨率。电压调整晶体振荡器输出频率参数flo n为随机变量,对应E计数器的计数值NE和L计数器的计数值NL计算公式为:
E计数器和L计数器的实现可以采用任意的同步或异步计数器形式,以常见的二进制计数器为例,关键设计参数为计数位宽和最高时钟频率。采用常见的数字逻辑器件,上述计数器工作时钟频率可以轻易的达到100MHz;采用通用计数器部件和支持软件,上述计数器工作频率可以容易的达到20MHz。
图2的距离计算部件用于计算和计数结果的差值,从而平均GPS的每一个估计脉冲周期可以计算得到频率估计的一个采样值。距离计算部件应该是整数取模条件下的差值运算。距离计算部件的运算精度主要取决于电压调整晶体振荡器的工作频率与GPS校准脉冲周期的比值。利用距离计算部件可以得到电压调整晶体振荡器在第n个GPS估计脉冲到达时的当前输出频率flo n的估计采样Fsample n:
但是图2中的理想延时器Tpps是无法实现的,具体实现中只能通过采用电压调整晶体振荡器的输出频率对Tpps进行估计。
图3方案是图2原理下的变通方案,输出的是第n个GPS估计脉冲到达时的频率误差估计采样Fernor n。其中延时触发器利用本地参考时钟产生出与GPS校准脉冲宽度的预测脉冲,逻辑‘与’运算用于计算GPS时间校准脉冲和本地预测脉冲之间的相位差,此相位差表现为输出脉冲的时间宽度。利用本地参考时钟经过倍频输出作为时钟,E计数器可以将GPS校准脉冲相位差转换为对应时间分辨率的计数值,该计数值可以认为是频率误差采样Fernor n。
图4方案是图2方案的直接近似实现,能够输出电压调整晶体振荡器的频率估计采样。同步计数器对本地参考时钟进行同步计数Nn,移位寄存器L功能上与图2方案中的L计数器相当,移位寄存器E功能上与图2方案中的E计数器相当,距离计算与图2方案中距离计算部件的功能相同。图4方案输出的频率估计采样fsample n是图2方案的Fsample n一种近似:
考虑到随机变量tjitter n和flo n统计独立,以及tjitter n的均值的时间无关特性:
(7)
从公式(7)可以看出频率估计采样Fsample n 是频率参数flo n的无偏估计。此无偏估计的计算可以通过数字均值滤波和控制装置的数字均值滤波功能实现,数字均值滤波和控制装置的数字均值滤波功能可以通过构造下述频率估计量Ffine M计算方法实现:
Ffine M的计算涉及滤波器算法参数的选择,M的选择是基于随机变量flo n进一步分解:缓慢变化的漂移分量和高频抖动分量。在M对应的测量时间内,随机变量flo n缓慢变化不应该超过最终闭环控制的收敛误差;而高频抖动分量与电压调整晶体振荡器的相噪有关,远远低于本方案所能检测的分辨率范围,因而可以不予考虑。数字均值滤波和控制装置的数字均值滤波方法目的在于分离GPS校准脉冲固有的随机抖动和电压调整晶体振荡器输出频率在数字鉴频器可见分辨率下的随机缓慢漂移。
Ffine M的估算精度依赖于M的选择,并且较大的M会导致慢的闭环控制响应时间和更好的估计精度。如果不希望选择较大的M值而希望有更好的估计精度,可以提高数字鉴频器的工作频率至K倍,而使得分频器的输出频率与期望频率相同。在相同估计精度条件下,K和M之间的等效理论换算关系如下:
(9)
根据计算得到的当前电压调整晶体振荡器输出频率估计值Ffine M与理想输出频率之间的误差差,图1中数字均值滤波和控制装置的控制装置可以采用已知的任何反馈控制算法确定减少此误差所需的控制输出。利用数字量至模拟信号转换器的数字量到模拟信号转换功能,可以将数字均值滤波和控制装置的控制装置最终确定的控制量输出为模拟信号。该模拟信号经过模拟低通滤波器的低通滤波后,用于平滑的控制电压调整晶体振荡器的频率调整端。
数字量至模拟信号转换器的输出应该满足电压调整晶体振荡器频率调整控制所需的直流偏置点、动态范围、分辨率和响应速度。数字量至模拟信号转换器输出的直流偏置点应该位于电压调整晶体振荡器频率调整控制的中心点Vmiddle,动态范围应该满足实际频率偏差范围,电压分辨率应该满足频率调整精度要求。另外为保证频率校正环路的有效收敛,数字量至模拟信号转换器的输出曲线还必须是单调而且不能丢码;电压调整晶体振荡器的频率调整曲线也必须是单调的。
数字均值滤波和控制装置的控制装置在检测到电压调整晶体振荡器输出频率处于0.1ppm收敛范围内并保持一段时间后,读取温度传感器的当前环境温度参数,并将与之对应的当前控制参数和更新入本地非易失参数存储表中。图2的装置在正常运行过程中,当出现GPS失步而无校准脉冲输出时,数字均值滤波和控制装置的控制装置会利用非易失参数存储表中的样本点开环补偿下述短期因素引发的电压调整晶体振荡器输出频率变化:
b)电压调整晶体振荡器环境温度变化而引起的频率误差;
本发明的开环补偿特性使得最终产品在长期连续工作条件下具备一种短期故障鲁棒特性,本地非易失参数存储表中积累的学习数据越多,越能够容忍更长时间的GPS故障。但是对于电压调整晶体振荡器长期使用老化引起的频率偏移现象,此开环方法受到限制,而必须与常规的闭环工作模式相结合使用。
图1中的分频器是可选功能,更高的数字鉴频器工作时钟可以支持进一步改善闭环频率校准的精度。但是数字分频的输出频谱中包含较多的近端杂散和低阶谐波成分,需要仔细设计才能作为某些TDD类型射频子***的本地参考源使用。
图1中的驱动器应该具备高输入电阻和低输出阻抗特性,考虑与射频子***的阻抗匹配要求,输出阻抗应该为50欧姆。
图1中收发控制时序计数装置的特点是利用本发明中的电压调整晶体振荡器输出时钟和通用的可编程二进制计数器,产生与TDD移动通信底层符号速率成整数倍关系的控制脉冲宽度和相位。收发控制时序计数装置可以产生用于TDD射频子***的收、发通道使能控制信号,也可以产生满足频谱杂散要求的发射机关闭信号。对应TDD移动通信***物理层标准特有的时域发射功率模板控制,收发控制时序计数装置可以用于对应增益控制环路的启动、复位和时序控制。
图6给出一种典型TDD无线通信制式SCDMA的收发控制时序计数装置输出波形实例。SCDMA的物理层符号速率为409.6Kbps,采用的电压调整晶体振荡器标称输出频率为12.8MHz,基站收、发帧宽度为5毫秒,保护时隙宽度为390.625微秒。
收发帧计数值=5ms×12.8MHz=64000 (11)
保护时隙计数值=390.625us×12.8MHz=5000 (12)
公式(9)对应的收、发使能信号脉冲宽度计数和收使能信号脉冲宽度计数可以非常容易的采用16位二进制计数器和数字比较器组合实现。公式(10)对应的保护时隙计数值可以采用13位二进制计数器和数字比较器组合实现。采用此方法得到的控制时序信号定时精度优于码片速率。
图7给出一种典型TDD无线通信制式TD-SCDMA的收发控制时序计数装置输出波形实例。TD-SCDMA的物理层符号速率为1.28Mbps,选择电压调整晶体振荡器标称输出频率为12.8MHz。可以看出,由于电压调整晶体振荡器标称输出频率与TD-SCDMA物理层符号速率成整数倍关系,简化了收、发使能信号计数器的实现,控制时序信号定时精度为码片速率。
以12.8MHz的本地参考频率为例,本发明的设计在-40’C~+80’C工作范围闭环运行时频率稳定度优于0.01ppm/24小时,在整个产品的生命运行周期可以实现与GPS星上时钟相匹配的长期稳定度。电压调整晶体振荡器输出驱动后输出至射频子***的本地参考源信号相噪优于-130dBc/Hz@1KHz offset。
本发明的技术方案性能稳定可靠,使用寿命长,成本低,市场前景好。
Claims (9)
1.一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生方法包括以下步骤:
(1)GPS校准脉冲和本地电压调整晶体振荡器的输出送入数字鉴频器,得到本地参考源信号的频率估计采样点。
(2)数字鉴频器输出的频率估计采样点被数字滤波后,得到对应的频率误差估计参量。
(3)数字控制装置根据上述估计参量确定对应控制输出的步长、偏移量和比例因子。
(4)该数字域控制输出被DAC接口转化为模拟控制信号,低通滤波后送至本地电压调整晶体振荡器的频率调整端。
(5)上述1~4过程重复进行,直至本地电压调整晶体振荡器的输出频率满足精度要求。
(6)当前控制环路收敛后的控制参量和当前环境温度被更新入本地非易失存储器钟开环控制参数表。
(7)当GPS失去同步条件下,数字控制器会利用本地非易失存储器的开环控制参数表内容内插后得到本地电压调整晶体振荡器频率调整控制信号。
(8)控制环路收敛后,本地电压调整晶体振荡器输出信号利用收发控制时序计数装置产生用于射频子***的收使能、发使能信号。
(9)控制环路收敛后,本地电压调整晶体振荡器的输出信号经过分频器和50欧姆驱动器后,送至射频子***作为本地参考源信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生方法,其特征是所述GPS校准脉冲和本地电压调整晶体振荡器输出时钟同时送入数字鉴频器,鉴相输出经过数字滤波后转换为模拟控制参数,实现本地电压调整晶体振荡器的闭环频率调整。
3.根据权利要求1所述的一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生方法,其特征是所述控制环路收敛后,以本地电压调整晶体振荡器时钟为输入的控制计数器,输出高精度脉冲作为射频子***收、发控制时序信号,同时本地电压调整晶体振荡器时钟输出经过隔离、分频和驱动后,送至射频子***作为低相噪射频参考源信号。
4.一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生装置包括:电压调整晶体振荡器、数字鉴频器、温度传感器、非易失温度参数存储表、数字均值滤波和控制器、数字量至模拟信号转换器、模拟低通滤波器、本地参考信号分频器、本地参考信号输出驱动器和收发控制时序计数装置。
其中,电压调整晶体振荡器可以是任何支持电参数频率微调晶体振荡器类型,频率调整范围应该覆盖可能的晶体振荡器固有偏移。
温度传感器可以是任何将温度参数转换为电压、电流或电阻参数的传感器类型,并且工作范围应该覆盖可能的电压调整晶体振荡器温度漂移范围。
非易失温度参数存储表可以是任何满足多次擦除和改写操作的存储器类型,并且其容量应该覆盖可能的本地电压调整晶体振荡器工作温度范围。
数字均值滤波和控制器可以是任何下述类型用于减少误差信号的自适应算法实现结构:最小均方(LMS)、递归最小均方(RLS)和卡尔曼滤波(Kalman)。
数字量至模拟信号转换器可以是任何形式将数字参数按照一定函数关系转换为模拟电压、电流和电阻参数的实现形式。
5.根据权利要求4所述的一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生装置,其特征是所述数字鉴频器是用于取出本地电压调整晶体振荡器输出时钟与GPS校准脉冲之间的定时误差,并将此定时误差中转换为的随机频率漂移误差采样。
6.根据权利要求4所述的一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生装置,其特征是所述模拟低通滤波器在用于产生平滑的控制信号的同时,不应该对混合控制环路的时间常数产生显著影响。
7.根据权利要求4所述的一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生装置,其特征是所述本地参考信号分频器用于整数倍的降低输入参考信号频率,并且保持相位噪声不产生恶化。
8.根据权利要求4所述的一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生装置,其特征是所述本地参考信号输出驱动器用于满足常见的射频50欧姆阻抗匹配要求。
9.根据权利要求4所述的一种用于TDD移频直放站的高稳定本地参考信号产生装置,其特征是所述收发控制时序计数装置通过对本地电压调整晶体振荡器输出频率计数和比较,产生精确的、可配置和可重复的射频收发控制时序脉冲。
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